DE102016202136A1 - Arrangement, means of transport and method for improving the efficiency of a hybrid drive system - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Fortbewegungsmittel, eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Wirkungsgradverbesserung eines hybriden Antriebssystems für ein Fortbewegungsmittel (10) vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: – einen Elektromotor, – eine Verbrennungskraftmaschine, – einen elektrochemischen Energiespeicher zur Speisung des Elektromotors, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Ermitteln (2000) einer Energiemenge, welche aufgewandt wurde, um den Energiespeicher (11) zu laden und in Abhängigkeit der aufgewandten Energiemenge – Entscheiden (3000), ob der Motor (2) oder die Verbrennungskraftmaschine (3) oder sowohl der Motor (2) und die Verbrennungskraftmaschine (3) betrieben werden.The invention relates to a means of locomotion, an arrangement and a method for improving the efficiency of a hybrid propulsion system for a means of locomotion (10). The method comprises the steps: an electric motor, an internal combustion engine, an electrochemical energy store for feeding the electric motor, the method comprising the steps of: determining (2000) an amount of energy which has been expended in order to charge the energy store (11) and depending on the amount of energy used - deciding (3000), whether the engine (2) or the internal combustion engine (3) or both the engine (2) and the internal combustion engine (3) are operated.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung, ein Fortbewegungsmittel sowie ein Verfahren zur Wirkungsgradverbesserung eines hybriden Antriebssystems, insbesondere für ein Fortbewegungsmittel. Im Speziellen befasst sich die vorliegende Erfindung mit einer Harmonisierung von Wirkungsgraden einzelner Energiewandlungsmaschinen und Komponenten bei komplexeren, insbesondere hybriden, Antriebssystemen.The present invention relates to an arrangement, a means of locomotion and a method for improving the efficiency of a hybrid drive system, in particular for a means of transportation. In particular, the present invention is concerned with harmonizing efficiencies of individual energy conversion machines and components in more complex, especially hybrid, drive systems.

Hybride Antriebssysteme umfassen üblicherweise eine Verbrennungskraftmaschine und mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher sowie einen Elektromotor. Für die Energieumwandlung mittels dieser Komponenten sind die jeweiligen Zustände und Betriebspunkte relevant. Während der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine oder des Elektromotors beispielsweise stark von deren Drehzahl und Drehmoment abhängt, hängt der Innenwiderstand eines elektrochemischen Energiespeichers auch von dessen Ladezustand (State of Charge, SOC) ab. Im Verbund miteinander ergeben sich für die Komponenten vergleichsweise komplizierte Abhängigkeiten bei der Ermittlung eines optimalen Gesamtwirkungsgrades. Im Stand der Technik basiert das Leistungsmanagement im Antriebsstrang-Steuergerät eines hybriden Antriebsstrangs meist auf einer statischen Tabelle, welche aufwendig bedatet werden muss. Mit einer solchen Tabelle kann während des Betriebs nicht auf geänderte Randbedingungen reagiert werden. Durch den beschränkten Umfang der Tabelle wird der Betriebspunkt der eingesetzten Antriebsmaschinen häufig nicht wirkungsgradoptimal eingestellt. Bei Hybridantrieben kommt der Leistungsaufteilung zwischen den verbauten Antriebsmaschinen eine entscheidende Bedeutung zu, um das volle Potenzial zur Verbrauchssenkung zu heben. Im Leistungsmanagement wird die Leistung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Elektromotor in Abhängigkeit des Betriebspunktes (und/oder „Lastzustandes“) aufgeteilt. Zusätzlich müssen jedoch eine Reihe zusätzlicher Verbraucher mit mechanischer und elektrischer Energie versorgt werden.Hybrid drive systems usually include an internal combustion engine and at least one electrochemical energy store and an electric motor. For the energy conversion by means of these components, the respective states and operating points are relevant. While the efficiency of the internal combustion engine or the electric motor, for example, strongly depends on their speed and torque, the internal resistance of an electrochemical energy storage also depends on its state of charge (SOC). In combination with one another, the components have comparatively complicated dependencies in determining an optimum overall efficiency. In the prior art, the power management in the powertrain control unit of a hybrid powertrain is usually based on a static table, which must be laboriously fed. Such a table can not react to changed boundary conditions during operation. Due to the limited scope of the table, the operating point of the prime movers used is often not set optimal efficiency. In hybrid drives, the power distribution between the installed drive machines is crucial to unlock the full potential for reducing fuel consumption. In power management, the power between the internal combustion engine and the electric motor is divided depending on the operating point (and / or "load condition"). In addition, however, a number of additional consumers must be supplied with mechanical and electrical energy.

Aus dem vorgenannten Stand der Technik ergibt sich ein Bedarf an einer verbesserten Betriebsstrategie zur Wirkungsgradoptimierung eines hybriden Antriebssystems.From the aforementioned prior art, there is a need for an improved operating strategy for optimizing the efficiency of a hybrid drive system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb, insbesondere zur Wirkungsgradverbesserung, eines hybriden Antriebssystems für ein Fortbewegungsmittel gelöst. Das Antriebssystem umfasst einen Elektromotor, welcher im motorischen Betrieb als Antrieb für das Fortbewegungsmittel dient, zudem aber auch generatorisch betrieben werden kann. Zusätzlich ist eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, welche beispielsweise fossile Brennstoffe in mechanische Leistung umwandelt. Ein elektrochemischer Energiespeicher ist zur Speisung des Elektromotors vorgesehen. Nachfolgend wird der Anschaulichkeit halber von einem Elektromotor und einem elektrochemischen Energiespeicher gesprochen, obwohl beispielsweise der Energiespeicher alternativ oder zusätzlich einen Drucklufttank oder ein Schwungmasserad umfassen kann und der Motor beispielsweise alternativ oder zusätzlich einen Druckluftmotor oder ein Getriebe zur Übertragung der kinetischen Energie der Schwungmasse an das Fahrwerk des Fortbewegungsmittels umfassen kann. In geeigneten Betriebszuständen kann der elektrochemische Energiespeicher auch die durch Rekuperation gewandelte kinetische Energie des Fortbewegungsmittels in elektrochemischer Form speichern. The above-identified object is achieved by a method for operation, in particular for improving the efficiency of a hybrid drive system for a means of transportation. The drive system comprises an electric motor, which serves in motor operation as a drive for the means of transportation, but can also be operated as a generator. In addition, an internal combustion engine is provided which converts, for example, fossil fuels into mechanical power. An electrochemical energy store is provided for feeding the electric motor. Below is the sake of clarity of an electric motor and an electrochemical energy storage spoken, although for example the energy storage alternatively or additionally may comprise a compressed air tank or a flywheel and the motor, for example, alternatively or additionally a pneumatic motor or a transmission for transmitting the kinetic energy of the flywheel to the chassis of the means of locomotion. In suitable operating states, the electrochemical energy store can also store in electrochemical form the kinetic energy of the locomotion that has been converted by recuperation.

Sofern der Ladezustand des elektrochemischen Energiespeichers in der Abwesenheit von rekuperierbarer kinetischer Bewegungsenergie angehoben werden soll, kann die von der Verbrennungskraftmaschine abgegebene mechanische Leistung mit Hilfe des generatorisch betriebenen Elektromotors in elektrische Leistung gewandelt und im elektrochemischen Energiespeicher gespeichert werden. Optional kann auch ein zusätzlicher Generator zur Rekuperation oder zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers mit Hilfe der Verbrennungskraftmaschine vorhanden sein.If the state of charge of the electrochemical energy store is to be increased in the absence of recuperatable kinetic kinetic energy, the mechanical power output by the internal combustion engine can be converted into electrical power and stored in the electrochemical energy store by means of the generator-operated electric motor. Optionally, an additional generator for recuperation or for charging the electrochemical energy storage by means of the internal combustion engine may be present.

Das wie vorstehend beschriebene hybride Antriebssystem wird beispielsweise wie folgt betrieben:
Zunächst wird eine Energiemenge ermittelt, welche aufgewandt wurde, um den Energiespeicher zu laden. Beim Laden eines Energiespeichers treten üblicherweise Wandlungsverluste auf, welche darüber entscheiden, welche „Kosten“ entstanden sind, bzw. wie viel Energie aufgewendet werden musste, um die im Energiespeicher gespeicherte Energiemenge zu speichern. In einem zweiten erfindungsgemäßen Schritt kann dies dazu verwendet werden, zu entscheiden, ob der Elektromotor oder die Verbrennungskraftmaschine oder eine Kombination aus dem Elektromotor (motorisch oder generatorisch) und der Verbrennungskraftmaschine im Antriebssystem betrieben werden. Somit kann die Entscheidung, in welcher Art und Weise das hybride Antriebssystem verwendet wird, auf eine breitere Informationsbasis gestellt werden. Insbesondere kann bei der Ermittlung eines Gesamtwirkungsgrades des erfindungsgemäßen Hybridantriebssystems berücksichtigt werden, welche Wandlungsverluste beim Laden des Energiespeichers aufgetreten sind.
The hybrid drive system as described above is operated, for example, as follows:
First, an amount of energy is determined which has been expended to charge the energy storage. When charging an energy storage usually occur conversion losses, which decide on what "costs" are incurred, or how much energy had to be spent to store the energy stored in the energy storage. In a second step according to the invention, this can be used to decide whether the electric motor or the internal combustion engine or a combination of the electric motor (motor or generator) and the internal combustion engine are operated in the drive system. Thus, the decision in which way the hybrid Drive system is used to be put on a broader information base. In particular, when determining an overall efficiency of the hybrid drive system according to the invention, it can be considered which conversion losses have occurred during charging of the energy store.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Beim Ermitteln der aufgewandten Energiemenge kann festgestellt werden, dass der Energiespeicher zumindest anteilig mittels der Verbrennungskraftmaschine geladen worden ist. Mit anderen Worten wird hierbei ermittelt, dass ein hoher energetischer Aufwand geleistet worden ist, um den aktuellen Ladezustand zu erreichen. Dies kann zum Anlass genommen werden, die Energie erst dann einzusetzen, wenn ihr Einsatz „lohnenswert“ erscheint. Sofern die aufgewandte Energiemenge zum Laden des Energiespeichers mittels Rekuperation erhalten wurde, kann die Nutzung der im Energiespeicher gespeicherten Energie hingegen auch bei geringem Vorteil lohnenswert erscheinen.When determining the amount of energy used, it can be stated that the energy store has been charged at least proportionally by means of the internal combustion engine. In other words, it is determined here that a high energy expenditure has been made in order to achieve the current state of charge. This can be taken as an opportunity to use the energy only when their use "worthwhile" appears. If the amount of energy expended for charging the energy storage was obtained by means of recuperation, the use of energy stored in the energy storage, however, may seem worthwhile even with little advantage.

Um stets Informationen dafür bereitzuhalten, zu welchem Anteil der Energiespeicher kostspielig bzw. kostengünstig geladen worden ist, kann vorgesehen sein, dass beim Laden des Energiespeichers eine Log-Datei mit Daten darüber befüllt wird, welche Energiequellen (verbrennungsmotorisch, Rekuperation, etc.) aktuell (und gegebenenfalls zu welchem Prozentsatz) am Ladestrom bzw. an der Ladeleistung beteiligt sind. Die Log-Datei kann zur Entscheidungsfindung darüber, ob die im Energiespeicher gespeicherte Energie aktuell für einen Antrieb des Fortbewegungsmittels verwendet werden soll, ausgelesen und ausgewertet werden. Dies erhöht die Effizienz eines erfindungsgemäßen hybriden Antriebssystems.In order to always have ready information for what proportion of energy storage has been charged costly or inexpensive, it can be provided that when loading the energy storage a log file is filled with data about which energy sources (internal combustion engine, recuperation, etc.) currently ( and optionally to what percentage) are involved in the charging current or the charging power. The log file can be read out and evaluated in order to decide whether the energy stored in the energy store is currently to be used for propulsion of the means of transportation. This increases the efficiency of a hybrid drive system according to the invention.

Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird zudem erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb, insbesondere zur Wirkungsgradverbesserung, eines hybriden Antriebssystems für ein Fortbewegungsmittel gelöst, welches in Kombination mit dem obigen Erfindungsaspekt oder alternativ zu diesem verwendet werden kann. Das Antriebssystem umfasst einen Elektromotor, welcher im motorischen Betrieb als Antrieb für das Fortbewegungsmittel dient, zudem aber auch generatorisch betrieben werden kann. Zusätzlich ist eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, welche beispielsweise fossile Brennstoffe in mechanische Leistung umwandelt. Ein elektrochemischer Energiespeicher ist zur Speisung des Elektromotors vorgesehen. Nachfolgend wird der Anschaulichkeit halber von einem Elektromotor und einem elektrochemischen Energiespeicher gesprochen, obwohl beispielsweise der Energiespeicher alternativ oder zusätzlich einen Drucklufttank oder ein Schwungmasserad umfassen kann und der Motor beispielsweise alternativ oder zusätzlich einen Druckluftmotor oder ein Getriebe zur Übertragung der kinetischen Energie der Schwungmasse an das Fahrwerk des Fortbewegungsmittels umfassen kann. In geeigneten Betriebszuständen kann der elektrochemische Energiespeicher auch die durch Rekuperation gewandelte kinetische Energie des Fortbewegungsmittels in elektrochemischer Form speichern. Sofern der Ladezustand des elektrochemischen Energiespeichers in der Abwesenheit von rekuperierbarer kinetischer Bewegungsenergie angehoben werden soll, kann die von der Verbrennungskraftmaschine abgegebene mechanische Leistung mit Hilfe des generatorisch betriebenen Elektromotors in elektrische Leistung gewandelt und im elektrochemischen Energiespeicher gespeichert werden. Optional kann auch ein zusätzlicher Generator zur Rekuperation oder zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers mit Hilfe der Verbrennungskraftmaschine vorhanden sein. Das wie vorstehend beschriebene hybride Antriebssystem wird beispielsweise wie folgt betrieben: Gemäß dem vorliegenden Aspekt wird eine Traktionsvorgabe oder „Fahrprofilvorgabe“ ermittelt, welche beispielsweise durch einen Anwender und/oder durch einen Autopiloten und/oder durch ein bereits zu einem früheren Zeitpunkt gewähltes Fahrprofil vordefiniert sein kann. Sofern der Anwender für einen bestimmten Fahrstil steht bzw. ein Fahrroboter ein bestimmtes Fahrprofil ausgibt, können entsprechende Informationen verwendet werden, um ein Last- und/oder Geschwindigkeitsprofil als Fahrprofilvorgabe bzw. Traktionsvorgabe zu verwenden. Die Traktionsvorgabe kann beispielsweise auch in Abhängigkeit eines aktuellen Datums und/oder einer aktuellen Tageszeit gewählt werden. Allgemein gesprochen kann die Traktionsvorgabe zur Identifikation einer Soll-Betriebsweise des Antriebssystems verstanden werden. Auch eine generelle Kategorisierung nach Art eines defensiven oder offensiven Fahrstils kann verwendet werden, um das erfindungsgemäße Verfahren einzuleiten. In einem nächsten Schritt werden mögliche Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine zur Erfüllung der Traktionsvorgabe ermittelt. Anhand vordefinierter Kennfelder kann bestimmt werden, in welchen Betriebszuständen die einzelnen Komponenten des hybriden Antriebsstrangs betrieben werden können. Beispielsweise können durch eine Auswertung von Bauteilbetriebsgrenzen und/oder Zustandsgrößen wie z.B. der Temperatur von Kühlmittel oder Abgasnachbehandlungskomponenten die möglichen Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine und des Elektromotors eingegrenzt und/oder erweitert werden.The above-identified object is also achieved according to the invention by a method for operation, in particular for improving the efficiency, of a hybrid propulsion system for a means of locomotion, which can be used in combination with the alternative aspect of the invention or alternatively to this. The drive system comprises an electric motor, which serves in motor operation as a drive for the means of transportation, but can also be operated as a generator. In addition, an internal combustion engine is provided which converts, for example, fossil fuels into mechanical power. An electrochemical energy store is provided for feeding the electric motor. Below is the sake of clarity of an electric motor and an electrochemical energy storage spoken, although for example the energy storage alternatively or additionally may comprise a compressed air tank or a flywheel and the engine, for example, alternatively or additionally a pneumatic motor or a transmission for transmitting the kinetic energy of the flywheel to the chassis of the means of locomotion. In suitable operating states, the electrochemical energy store can also store in electrochemical form the kinetic energy of the locomotion that has been converted by recuperation. If the state of charge of the electrochemical energy store is to be increased in the absence of recuperatable kinetic kinetic energy, the mechanical power output by the internal combustion engine can be converted into electrical power and stored in the electrochemical energy store by means of the generator-operated electric motor. Optionally, an additional generator for recuperation or for charging the electrochemical energy storage by means of the internal combustion engine may be present. The hybrid drive system as described above is operated, for example, as follows: According to the present aspect, a traction default or "drive profile default" is determined, which is predefined by a user and / or by an autopilot and / or by a travel profile already selected at an earlier point in time can. If the user stands for a particular driving style or a driving robot issues a specific driving profile, appropriate information can be used to use a load and / or speed profile as driving profile specification or traction specification. The traction default can also be selected, for example, as a function of a current date and / or a current time of day. Generally speaking, the traction requirement for identifying a desired operating mode of the drive system can be understood. A general categorization in the manner of a defensive or offensive driving style can also be used to initiate the method according to the invention. In a next step, possible operating states of the electric motor and the internal combustion engine are determined to fulfill the traction requirement. Based on predefined maps, it can be determined in which operating states the individual components of the hybrid drive train can be operated. For example, by evaluating component operating limits and / or state variables such as the temperature of coolant or exhaust aftertreatment components, the possible operating points of the internal combustion engine and the electric motor are limited and / or extended.

Alternativ oder zusätzlich kann die Vielzahl möglicher Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine sowie des elektrochemischen Energiespeichers dahingehend ermittelt werden, wie lange bestimmte Betriebszustände (z. B. hohe Leistungsabgabe des Elektromotors) beibehalten werden, bis beispielsweise wegen der Unterschreitung eines kritischen Ladezustands des Energiespeichers, ein geändertes Betriebsverhalten gewählt wird. Alternatively or additionally, the plurality of possible operating states of the electric motor and of the internal combustion engine and of the electrochemical energy store can be determined to How long certain operating conditions (eg, high power output of the electric motor) are maintained until, for example, because of falling below a critical state of charge of the energy storage, a changed operating behavior is selected.

Bevorzugt wird auch ein Verhältnis von im elektrochemischen Energiespeicher gespeicherter Energie zu einem Energieaufwand zur Erzeugung der gespeicherten Energie ermittelt. Das Verhältnis aus gespeicherter Energie und Energieaufwand zur Erzeugung der gespeicherten Energie wird nachfolgend auch kurz als "energieaufwandsbezogener Ladezustand" bezeichnet. Der energieaufwandsbezogene Ladezustand berücksichtigt die relevante Annahme, dass der Elektromotor aus einem Energiespeicher mit endlicher Kapazität gespeist wird. Die im Energiespeicher gespeicherte Energie muss daher entweder bei einem Stopp des Fortbewegungsmittels von außen zugeführt oder während eines Betriebs des Fortbewegungsmittels „an Bord“ erzeugt werden. Dies erfolgt entweder durch Rekuperation von Bewegungsenergie bzw. Bremsenergie, welche ohne Aufwand von z.B. Kraftstoffenergie, also "kostenlos", bereitgestellt wird, oder durch Lastpunktverschiebung der Verbrennungskraftmaschine wodurch zusätzlich Treibstoffenergie aufgewandt und bei vergleichsweise hohen Wandlungsverlusten zum Aufladen des Energiespeichers eingesetzt wird. Daher wird erfindungsgemäß vorgesehen, den energieaufwandsbezogenen Ladezustand in die Betriebsstrategie einzuführen, um die zu- und abfließenden Energieströme des elektrochemischen Energiespeichers unter Berücksichtigung der dafür aufgewendeten Energie zu bilanzieren. Hierbei wird die momentan gespeicherte Energie zu derjenigen Energie in ein Verhältnis gestellt, welche zur Erzeugung der in der Batterie gespeicherten Energie aus anderweitigen Energieformen, z.B. Kraftstoffenergie, gewandelt wurde. Auf Basis der Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine sowie auf Basis des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes werden mögliche, zu erwartende Gesamtwirkungsgrade des Antriebssystems ermittelt. Anschließend werden jeweilige Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine anhand eines größten ermittelten Gesamtwirkungsgrades ausgewählt. Mit anderen Worten wird in Anbetracht der wie oben ermittelten Umstände und unter Berücksichtigung des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes die jeweiligen gemeinsamen Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine ausgewählt, welche bei der Erfüllung der Traktionsvorgabe einen größten Gesamtwirkungsgrad für das hybride Antriebssystem erzielen.Preferably, a ratio of stored energy in the electrochemical energy storage is determined to an energy expenditure for generating the stored energy. The ratio of stored energy and energy expenditure for generating the stored energy is also referred to below as "energy-related charge state". The energy-related charge state takes into account the relevant assumption that the electric motor is fed from a finite-capacity energy store. The energy stored in the energy storage must therefore either be supplied externally during a stop of the means of transportation or generated during operation of the means of transportation "on board". This is done either by recuperation of kinetic energy or braking energy, which without effort of e.g. Fuel energy, so "free", is provided, or by load point shift of the internal combustion engine whereby additional fuel energy expended and is used at relatively high conversion losses for charging the energy storage. Therefore, the invention provides for introducing the energy-related charge state into the operating strategy in order to balance the incoming and outgoing energy flows of the electrochemical energy store, taking into account the energy used for this purpose. Here, the momentarily stored energy is placed in relation to that energy which is used to generate the energy stored in the battery from other forms of energy, e.g. Fuel energy, was converted. On the basis of the operating states of the electric motor and the internal combustion engine as well as on the basis of the energy-related charge state possible, expected overall efficiency of the drive system can be determined. Subsequently, respective operating states of the electric motor and the internal combustion engine are selected on the basis of a largest determined overall efficiency. In other words, in consideration of the circumstances as mentioned above and taking into account the energy cost related state of charge, the respective common operating states of the electric motor and the internal combustion engine are selected which achieve the highest overall efficiency for the hybrid drive system in meeting the traction requirement.

Sofern verfügbar, kann als ein erster Schritt ein bevorstehender Streckenverlauf, umfassend insbesondere ein Höhenprofil, ermittelt werden und eine für den bevorstehenden Streckenverlauf zu erwartende Traktionsvorgabe bestimmt werden. Der Streckenverlauf kann beispielsweise deterministisch oder wahrscheinlichkeitsbasiert ermittelt werden. Mit anderen Worten kann ein bevorstehender Streckenverlauf anhand eines Fahrplans, einer Auswertung von Informationen zur Positionserkennung (z.B. GPS), einer Anwendereingabe, einer bereits gefahrenen Teilstrecke o. ä. bestimmt werden. If available, as an initial step an upcoming route, comprising in particular a height profile, can be determined and a traction requirement to be expected for the upcoming route can be determined. The route can be determined, for example, deterministic or probability-based. In other words, an upcoming route can be determined based on a timetable, an evaluation of position detection information (e.g., GPS), a user input, an already traveled leg, or the like.

Der bevorstehende Streckenverlauf kann beispielsweise derart bestimmt werden, dass er an einem nächsten Versorgungspunkt zur Aufnahme externer elektrischer Energie und/oder fossiler Brennstoffe durch das Fortbewegungsmittel endet. Eine solche Position kann auch als Lade- und/oder Tankstopp bezeichnet werden. Da externe elektrische Energie meist kostengünstiger als mit Bordmitteln gewandelte elektrische Energie bereitgestellt werden kann, kann das derart gestaltete Ende des Streckenverlaufes bzw. Belastungsprofils über der Zeit entscheidend für die Betriebszustände des hybriden Antriebssystems bei der Fahrt auf dem Streckenverlauf sein, da beispielsweise die Verfügbarkeit im elektrochemischen Energiespeicher gespeicherter Energie davon abhängt, ob die bevorstehende Strecke eine bestimmte Länge bzw. eine bestimmte energetische Signatur unter- oder überschreitet. Beispielsweise kann auf der Informationsbasis eines bevorstehenden Streckenverlaufs und einer daraus ermittelten Traktionsvorgabe, in der Betriebsstrategie verstärkt auf elektromotorischen Betrieb und eine damit einhergehende Entladung des Energiespeichers gesetzt werden, da im weiteren Streckenverlauf, beispielsweise durch ein Bremsmanöver oder eine Gefällefahrt, die Rekuperation größerer Energiemengen möglich ist.For example, the upcoming route may be determined to terminate at a next supply point for receiving external electrical energy and / or fossil fuels by the vehicle. Such a position may also be referred to as a charging and / or refueling stop. Since external electrical energy can usually be provided more cost-effectively than on-board electrical energy converted, the end of the route or load profile designed in this way over time can be decisive for the operating states of the hybrid drive system when driving on the route, since, for example, the availability in the electrochemical Energy storage stored energy depends on whether the upcoming distance falls below a certain length or a specific energetic signature. For example, can be placed on the information base of an upcoming route and a traction specified therefrom in the operating strategy reinforced electromotive operation and a concomitant discharge of the energy storage, as in the course further, for example by a braking maneuver or a downhill ride, the recuperation of larger amounts of energy is possible ,

Zudem kann beispielsweise anhand einer Positionsbestimmung und/oder der Bestimmung eines bevorstehenden Streckenverlaufs bei der Wahl möglicher Betriebszustände die Option der externen Aufnahme elektrischer Energie (z.B. an Versorgungspunkten) und deren Speicherung im elektrochemischen Energiespeicher berücksichtigt werden. Dem liegt die Annahme zugrunde, dass die dem Fortbewegungsmittel von extern zugeführte elektrische Energie kostengünstiger bereitgestellt werden kann, als mit Bordmittel gewandelte elektrische Energie.In addition, the option of external recording of electrical energy (for example at supply points) and its storage in the electrochemical energy store can be taken into account, for example, by determining the position and / or determining an upcoming route when selecting possible operating states. This is based on the assumption that the means of locomotion externally supplied electrical energy can be provided at a lower cost than converted with on-board electrical energy.

Die Traktionsvorgabe hängt beispielsweise von einer aktuellen Position eines erfindungsgemäß ausgestalteten Fortbewegungsmittels und einer für das Fortbewegungsmittel vordefinierten Sollposition ab. Alternativ oder zusätzlich kann allein eine z. B. maximale Sollgeschwindigkeit eines erfindungsgemäß ausgestalteten Fortbewegungsmittels die Traktionsvorgabe beeinflussen.The traction specification depends, for example, on a current position of a means of transport configured according to the invention and a predefined setpoint position for the means of transportation. Alternatively or additionally, a z. B. maximum target speed of an inventively designed means of transport influence the traction target.

Das Ermitteln von Gesamtwirkungsgraden des Antriebssystems auf dem Streckenverlauf kann eine Auswertung gespeicherter Wirkungsgradkennfelder für den Elektromotor und die Verbrennungskraftmaschine umfassen. Insbesondere kann auch ein zu erwartender Ladezustand und ein dem Ladezustand zugeordneter Energiewandlungswirkungsgrad des elektrochemischen Energiespeichers berücksichtigt werden. Optional kann auch der erfindungsgemäß vorgesehene energieaufwandsbezogene Ladezustand in einem lokal gespeicherten Referenzdatensatz mitgeführt und bei der Ermittlung des Gesamtwirkungsgrades berücksichtigt werden. Determining overall efficiency of the drive system on the route may include an evaluation of stored efficiency maps for the electric motor and the internal combustion engine. In particular, an expected state of charge and the state of charge associated energy conversion efficiency of the electrochemical energy storage can be considered. Optionally, the energy expenditure-related charge state provided according to the invention can also be carried in a locally stored reference data record and taken into account in the determination of the overall efficiency.

Das Ermitteln des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes des elektrochemischen Energiespeichers kann beispielsweise auch anhand eines nutzbaren Anteils im elektrochemischen Energiespeicher gespeicherter Energie erfolgen. Hierbei wird nur ein nutzbares Ladezustandsfenster des Energiespeichers ausgewertet. Das Ladezustandsfenster, im Folgenden als SOC-Fenster (State-of-Charge-Fenster) bezeichnet, kann kleiner sein als die physikalisch maximal mögliche Kapazität des Energiespeichers. Durch eine Einschränkung des SOC-Fensters wird verhindert, dass während des Betriebs im Energiespeicher schädigende Ladezustände und/oder Ladezustände mit hohem Innenwiderstand erreicht werden. The determination of the energy expenditure-related state of charge of the electrochemical energy store can, for example, also take place on the basis of a usable proportion of stored energy in the electrochemical energy store. In this case, only a usable state of charge window of the energy storage is evaluated. The state of charge window, hereinafter referred to as the SOC window (state-of-charge window), may be smaller than the maximum physical capacity of the energy storage device. Restricting the SOC window prevents damaging charge states and / or charge states with high internal resistance during operation in the energy store.

Ein solches „SOC-Fenster“ kann auch in mehreren Abstufungen derart definiert sein, dass den Innenwiderstand bzw. einen zugeordneten Wirkungsgrad bei Lade- und Entladevorgängen quantifizierende SOC-Fenster oder SOC-Bereiche in Stufenform oder kontinuierlich einen gewissen übergeordneten SOC-Spektrumsbereich des elektrochemischen Energiespeichers oder gar den gesamten physikalisch möglichen SOC-Bereich informationstechnisch partitionieren. Für die unterschiedlichen Partitionen können jeweilige Attribute festgelegt werden, über welche die Verwendung des Energiespeichers in dem SOC-Bereich bewertet und an vordefinierte Bedingungen geknüpft werden kann.Such a "SOC window" can also be defined in several gradations such that the internal resistance or an associated efficiency during charging and discharging quantifying SOC windows or SOC areas in step form or continuously a certain higher-level SOC spectrum range of the electrochemical energy storage or even partition the entire physically possible SOC area in terms of information technology. For the different partitions, respective attributes can be defined by means of which the use of the energy store in the SOC area can be evaluated and linked to predefined conditions.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung zur Wirkungsgradverbesserung eines hybriden Antriebssystems vorgeschlagen. In diesem Zusammenhang kann das hybride Antriebssystem ein Fortbewegungsmittel wie z. B. ein elektrisch unterstützt antreibbares Fortbewegungsmittel bewegen. Eine Auswerteeinheit ist erfindungsgemäß eingerichtet, die Schritte eines Verfahrens gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt auszuführen. Entsprechend kann die Anordnung optional einen Datenspeicher, eine Ortungseinrichtung und/oder Mittel zur Erkennung eines vordefinierten Anwenders zur Ermittlung einer Traktionsvorgabe umfassen. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Anordnung eingerichtet, die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile in entsprechender Weise wie die Verfahren zu verwirklichen, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen wird.According to a second aspect of the present invention, an arrangement for improving the efficiency of a hybrid drive system is proposed. In this context, the hybrid drive system, a means of transport such. B. move an electrically supported driving means. An evaluation unit is set up according to the invention to carry out the steps of a method according to the first aspect of the invention. Accordingly, the arrangement may optionally include a data memory, a location device and / or means for detecting a predefined user to determine a traction default. In this way, the arrangement according to the invention is set up to realize the features, combinations of features and the advantages resulting therefrom in a manner corresponding to the methods, so that reference is made to the statements relating to the inventive method in order to avoid repetition.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Anordnung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Das Fortbewegungsmittel kann als Straßen- und/oder Schienen- und/oder Luft- und/oder Wasserfahrzeug ausgestaltet sein. Daher ergeben sich die Merkmale, Merkmalskombinationen und Vorteile entsprechend den obigen Ausführungen.According to a third aspect of the present invention, there is proposed a means of transportation having an arrangement according to the second aspect of the invention. The means of transport may be designed as a road and / or rail and / or air and / or watercraft. Therefore, the features, feature combinations and advantages according to the above statements.

Bevorzugt erfolgt die erfindungsgemäße Leistungsaufteilung in der Betriebsstrategie bzw. dem Leistungsmanagement (z. B. parallel, Power-Split Hybrid) unter der Berücksichtigung aller Energieverluste im Antriebsstrang. Durch den energieaufwandsbezogenen Ladezustand wird der Einfluss von Energieaufwand (z. B. Kraftstoffenergie = Kosten) mit berücksichtigt. Der erfindungsgemäße Ansatz ist sehr variabel (es müssen nur die Wirkungsgradkennfelder von Verbrennungsmaschine und Elektromotor getauscht werden) und auf verschiedenste Kombinationen von Verbrennungsmaschinen und Elektromotoren (auch Mehrmotoranlagen) anwendbar. Der energieaufwandsbezogene Ladezustand wirkt dabei ähnlich wie ein selbstlernender Algorithmus, der sich im Laufe des Betriebs (von wenigen Streckenabschnitten) um einen Wert einpendelt. Dieser Wert spiegelt die Randbedingungen (z. B. wie Leistungsbedarf, Streckenbeschaffenheit, Fahrerprofil usw.) wider. Enthält zum Beispiel die Strecke einer Bahn viele Haltestellen oder Gefällestrecken, kann viel Bremsenergie rekuperiert werden. Diese Energie ist "kostenlos". Hierdurch wird der energieaufwandsbezogene Ladezustand vergleichsweise hoch. Im Leistungsmanagement wird der elektrische Zweig daher mehr bevorzugt als auf anderen Strecken. Ist die Strecke nämlich sehr lang und es wird wenig Bremsenergie rekuperiert (z. B. durch wenig Gefällestrecken bzw. wenige Zwischenstopps), sondern der Energiespeicher oft mittels der Verbrennungskraftmaschine geladen, wird der energieaufwandsbezogene Ladezustand niedriger (kleiner 1) und der Elektromotor erfindungsgemäß nur relativ selten motorisch genutzt, da die durch ihn gewandelte Energie ohnehin im Wesentlichen verbrennungsmotorischen Ursprungs ist.The power distribution according to the invention preferably takes place in the operating strategy or the power management (eg parallel, power-split hybrid) taking into account all energy losses in the drive train. The energy-related charge state takes into account the influence of energy expenditure (eg fuel energy = costs). The approach according to the invention is very variable (only the efficiency maps of internal combustion engine and electric motor need to be exchanged) and applicable to a wide variety of combinations of internal combustion engines and electric motors (including multi-engine systems). The energy-related charge state has a similar effect to a self-learning algorithm, which levels off in the course of operation (of a few sections) by one value. This value reflects the boundary conditions (eg power requirement, route condition, driver profile, etc.). For example, if the track of a train contains many stops or downhill grades, much braking energy can be recuperated. This energy is "free". As a result, the energy-related charge state becomes comparatively high. In power management, the electrical branch is therefore more preferred than on other routes. If the route is very long and little braking energy is recuperated (eg by little downhill gradients or few stops), but the energy store is often charged by means of the internal combustion engine, the energy-related charge state becomes lower (less than 1) and the electric motor according to the invention only relatively rarely used by motor, since the energy transformed by it is anyway essentially of internal combustion engine origin.

Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren Short description of the drawing figures

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawing figures. In the drawings:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgestalteten Fortbewegungsmittels mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung; 1 a schematic representation of an inventively designed means of travel with an embodiment of an inventive arrangement;

2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines hybriden Antriebssystems, wie es in einer erfindungsgemäßen Anordnung Verwendung finden kann; 2 a representation of an embodiment of a hybrid drive system, as it can be used in an inventive arrangement;

3 eine Gegenüberstellung unterschiedlicher Abschnitte eines bevorstehenden Streckenverlaufes; 3 a comparison of different sections of an upcoming route;

4 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wirkungsgradverbesserung eines hybriden Antriebssystems für ein Fortbewegungsmittel, und 4 a flowchart illustrating steps of an embodiment of a method according to the invention for improving the efficiency of a hybrid propulsion system for a means of transportation, and

5 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wirkungsgradverbesserung eines hybriden Antriebssystems für ein Fortbewegungsmittel. 5 a flowchart illustrating steps of a further embodiment of a method according to the invention for improving the efficiency of a hybrid propulsion system for a means of transportation.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt einen Pkw 10 als erfindungsgemäßes Fortbewegungsmittel, in welchem ein hybrides Antriebssystem 1 vorgesehen ist. Hierbei ist eine Batterie 11 als elektrochemischer Energiespeicher zur Speisung eines Elektromotors 2 vorgesehen. Der Elektromotor 2 kann hierbei zum Antrieb des Pkws 10 sowie generatorisch als elektrische Energiequelle zur Speisung der Batterie 11 betrieben werden. Ein Verbrennungsmotor 3 ist einerseits zum Antrieb des Pkws 10 und andererseits zur bedarfsweisen Ladung der Batterie 11 über den als Generator betreibbaren Elektromotor 2 vorgesehen. Ein elektronisches Steuergerät 12 als Auswerteeinheit ist informationstechnisch mit einer Antenne 4 verbunden, über welche der Pkw 10 sich orten kann, um beispielsweise eine Startposition eines bevorstehenden Streckenverlaufes zu ermitteln. Ein Datenspeicher 13 ist informationstechnisch mit dem elektronischen Steuergerät 12 verbunden, sodass eine Vielzahl bekannter, bereits gefahrener Streckenverläufe ebenso wie Kennungen zugelassener Anwender für die Auswertung durch das elektronische Steuergerät 12 bereitgehalten wird. Zusätzlich ist das elektronische Steuergerät 12 eingerichtet, ein Verfahren zur Wirkungsgradverbesserung des hybriden Antriebssystems 1 auszuführen, für welches ein Beispiel in Verbindung mit 4 weiter unten beschrieben wird. 1 shows a car 10 as a means of transport according to the invention in which a hybrid propulsion system 1 is provided. Here is a battery 11 as electrochemical energy storage for feeding an electric motor 2 intended. The electric motor 2 this can be used to drive the car 10 as well as generator as electrical energy source for powering the battery 11 operate. An internal combustion engine 3 is on the one hand to drive the car 10 and on the other hand to charge the battery as needed 11 via the electric motor which can be operated as a generator 2 intended. An electronic control unit 12 as an evaluation unit is information technology with an antenna 4 connected via which the car 10 can locate, for example, to determine a starting position of an upcoming route. A data store 13 is information technology with the electronic control unit 12 connected, so that a variety of known, already driven routes as well as identifiers authorized users for the evaluation by the electronic control unit 12 is kept ready. In addition, the electronic control unit 12 set up a method for improving the efficiency of the hybrid drive system 1 for which an example in connection with 4 will be described below.

2 zeigt Komponenten eines hybriden Antriebsstrangs, in welchem zwischen den in Verbindung mit 1 diskutierten Elementen Verbrennungsmotor 3 und Elektromotor 2 symbolisch eine Vielzahl mechanischer und elektrischer Nebenverbraucher 5 angeordnet ist. Ein mechanisches Getriebe 6 dient der Drehzahlanpassung von Verbrennungsmotor 3 und Elektromotor 2 an eine aktuelle Fahrgeschwindigkeit. Die elektrische Adaption zwischen dem Elektromotor 2 und der Batterie 11 erfolgt über einen Zwischenkreis 7, welcher einen Wechselrichter 8 und einen Gleichrichter 9 aufweist, um die Gleichspannung der Batterie 11 in eine für den Betrieb des Elektromotors 2 erforderliche Wechselspannung umzuwandeln und im Falle einer Rekuperation vom Elektromotor 2 bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln, mittels welcher die Batterie 11 geladen wird. 2 shows components of a hybrid powertrain, in which between in conjunction with 1 discussed elements internal combustion engine 3 and electric motor 2 symbolically a large number of mechanical and electrical secondary consumers 5 is arranged. A mechanical transmission 6 Serves the speed adjustment of internal combustion engine 3 and electric motor 2 to a current driving speed. The electrical adaptation between the electric motor 2 and the battery 11 via a DC link 7 which is an inverter 8th and a rectifier 9 indicates the DC voltage of the battery 11 in one for the operation of the electric motor 2 convert required AC voltage and in case of recuperation of the electric motor 2 provided AC voltage to convert into a DC voltage, by means of which the battery 11 is loaded.

3 zeigt Beispiele für Abschnitte I, II, III, IV eines Streckenverlaufes, welcher durch einen erfindungsgemäßen Pkw 10 als Fortbewegungsmittel gefahren wird. Den Abschnitten I bis IV des Streckenverlaufes sind die Leistungen PVM, PEM und PKst sowie energieaufwandsbezogene Ladezustände ELZ zugeordnet. PVM steht für die Leistung der Verbrennungskraftmaschine und ist in den Abschnitten I und II größer als 0 und im Abschnitt III aufgrund des erforderlich gewordenen generatorischen Betriebes des Elektromotors sehr viel größer als 0. Erst im Abschnitt IV wird die Leistung PVM gleich 0, da die Fahrt bergab allein aus der Höhenenergie des Pkws 10 bestritten und zusätzlich Energie rekuperiert werden kann (PEM kleiner als 0). Anfänglich (Abschnitt I) ist die Leistung PEM des Elektromotors gleich 0. Im Abschnitt II wird der Elektromotor zum Unterstützen ("Boosten") verwendet und gibt elektrische Energie ab (PEM größer als 0). Der generatorische Betrieb in den Abschnitten III, IV bedingt eine elektrische Leistung des Elektromotors kleiner als 0. Die Umsetzung chemischer Energie aus fossilen Brennstoffen ist in Form einer Leistung PKst ebenfalls angegeben und korrespondiert zur Leistung PVM des Verbrennungsmotors, da die Leistung PKst sozusagen den Energieaufwand für die vom Verbrennungsmotor abgegebene Leistung PVM darstellt. Der energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ ist eine einheitenlose Größe und wird erfindungsgemäß bei der Wahl eines Betriebszustandes des erfindungsgemäßen Antriebssystems berücksichtigt. Für die ersten beiden Abschnitte I, II des dargestellten Streckenverlaufes ist der energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ konstant, da bislang keine fossilen Energieträger zur Ladung der Batterie verwendet worden sind. Im Abschnitt III sinkt der energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ, da das Entladen der Batterie aufgrund des Boost-Betriebs in Abschnitt II einen sofortigen Ladevorgang erfordert hat. Der Ladevorgang kann beispielsweise aufgrund des Eintritts in einen Ladezustand mit hohem Innenwiderstand oder gar Schädigungspotential für die Batterie initiiert werden. In Abschnitt IV steigt der energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ wieder an, da die Batterie zwar weiterhin geladen wird, die hinzugekommene elektrochemische Energie jedoch aufgrund der Bergabfahrt "kostenlos" bereitgestellt werden kann. Auf diese Weise wird der mittlere "Preis" für eine in der Batterie gespeicherte Energieeinheit gesenkt. Der Gesamtwirkungsgrad des Betriebs eines erfindungsgemäßen Antriebssystems kann daher erfindungsgemäß als höher betrachtet werden, sofern der motorische Betrieb des Elektromotors bei hohem energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ erfolgt. Mit anderen Worten wird zur Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades zu einem späteren, sich an den Abschnitt IV anschließenden Bereich (nicht dargestellt) ein Betrieb des Elektromotors stärker befürwortet werden, um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen, als wenn die Batterie einen identischen Ladezustand allein aufgrund einer höheren Investition fossiler Brennstoffe erlangt hätte. Wird der einmal gefahrene, dargestellte Streckenverlauf abgespeichert und optional gemeinsam mit anderen Informationen wie z.B. der Traktionsvorgabe (z. B. Boost-Betrieb in Abschnitt II aufgrund einer Geschwindigkeitsvorgabe durch den Anwender erforderlich) abgespeichert, können diese Erkenntnisse zur Entscheidung über den Rekuperationsbetrieb in Abschnitt III verwendet werden. Beispielsweise kann bei einer erneuten Fahrt auf derselben Strecke die Erkenntnis berücksichtigt werden, dass sich an die Hochebene in Abschnitt III eine lange Fahrt bergab in Abschnitt IV anschließt und gegenüber einer ersten Reise auf demselben Streckenabschnitt hingenommen werden, dass der Ladezustand der Batterie in Abschnitt III einen gewissen Zeitraum unterhalb einer vordefinierten Schwelle verbleibt, während dies ohne Erfahrung mit dem dargestellten Streckenverlauf zur Beibehaltung von Flexibilität und/oder Mobilität nicht hingenommen würde. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ in Abschnitt III so stark wie im Stand der Technik üblich absinkt, da der Elektromotor im generatorischen, vom Verbrennungsmotor angetriebenen Betrieb verwendet wird. Insbesondere für den Fall, dass am Ende des dargestellten Streckenverlaufes eine als Steckdose 14 symbolisierte Versorgungseinheit zur Aufnahme externer elektrischer Energie vorhanden ist, welche einen höheren Wirkungsgrad als eine verbrennungsmotorische Erzeugung elektrochemischer Energie aufweist, kann das derart selbstlernende Verfahren den Gesamtwirkungsgrad bei der Fahrt auf dem dargestellten Streckenverlauf erhöht werden. 3 shows examples of sections I, II, III, IV of a route, which by a passenger car according to the invention 10 is driven as a means of transportation. Sections I to IV of the route are the benefits P VM , P EM and P Kst and energy-related charging states ELZ assigned. P VM stands for the performance of the internal combustion engine and is in sections I and II greater than 0 and in section III due to the required regenerative operation of the electric motor much greater than 0. Only in section IV, the power P VM is 0, da the ride downhill alone from the high energy of the car 10 In addition energy can be recuperated (P EM less than 0). Initially (section I), the power P EM of the electric motor is 0. In section II, the electric motor is used to assist ("boost") and emits electrical energy (P EM greater than 0). The generator operation in sections III, IV causes an electric power of the electric motor is less than 0. The implementation of chemical energy from fossil fuels is also indicated in the form of a power P Kst and corresponds to the power P VM of the engine, since the power P Kst so to speak represents the energy expenditure for the output from the engine power P VM . The energy-related Charge state ELZ is a unitless size and is considered according to the invention in the selection of an operating state of the drive system according to the invention. For the first two sections I, II of the illustrated route the energy expenditure-related state of charge ELZ is constant, since so far no fossil fuels have been used to charge the battery. In section III, the energy expenditure related state of charge (ELZ) decreases because discharging the battery due to the boost operation in section II has required an immediate charge. The charging process can be initiated, for example, due to the entry into a charging state with high internal resistance or even damage potential for the battery. In section IV, the energy-related charge state ELZ increases again, since the battery is still charged, but the added electrochemical energy can be provided "free" due to the downhill run. In this way, the average "price" for a unit of energy stored in the battery is lowered. The overall efficiency of the operation of a drive system according to the invention can therefore be regarded as higher according to the invention, provided that the motor operation of the electric motor takes place at a high energy-related charge state ELZ. In other words, to reduce overall efficiency at a later portion (not shown) adjacent section IV, operation of the electric motor is more strongly advocated to increase the overall efficiency than if the battery had an identical state of charge solely due to a higher fossil investment Fuels. If the route once traveled is stored and optionally stored together with other information such as the traction command (eg boost operation in section II due to a speed specification by the user), these findings can be used to decide on the recuperation operation in Section III be used. For example, in the case of a renewed journey on the same route, it can be taken into account that a long journey downhill in section IV follows the plateau in section III and is tolerated over a first journey on the same route section, that the state of charge of the battery in section III certain period of time remains below a predefined threshold, while without experience with the illustrated route to maintain flexibility and / or mobility would not be tolerated. In this way, it can be avoided that the energy-expenditure-related state of charge ELZ in Section III drops as much as is customary in the prior art since the electric motor is used in generator-operated operation driven by the internal combustion engine. In particular, in the event that at the end of the route shown one as a socket 14 symbolized supply unit for receiving external electrical energy is present, which has a higher efficiency than an internal combustion engine generation of electrochemical energy, the self-learning method, the overall efficiency when driving on the route shown can be increased.

Die Berechnung von ELZ wird im Folgenden für die in 3 beschriebenen Fahrzustände in den Abschnitten I bis IV beispielhaft erläutert. ELZ ist das Verhältnis aus im Energiespeicher gespeicherter Energie EBAT und Energieaufwand EA, wobei sich EBAT aus dem Intergral der Batterieleistung PBAT über die Zeit t berechnet, vgl. Gleichung 2.1 und 2.2. In Abschnitt I, rein verbrennungsmotorischer Antrieb, und Abschnitt II, hybrider Antrieb durch Verbrennungsmotor und E-Motor, bleibt ELZ konstant. Dementsprechend berechnet sich EA nach Gleichung 2.3. Im Abschnitt III wird von der Verbrennungskraftmaschine ein Leistungsüberschuss bereitgestellt, gleichzeitig der Elektromotor generatorisch betrieben und der elektrochemische Energiespeicher geladen. In diesem Fall ist die aufgewendete Energie EA das Intergral der für das Aufladen des elektrochemischen Speichers aufgewendeten Kraftstoffleistung P’KST (ein Anteil der zum elektrischen Laden aufgewandten fossilen Leistung PKST bzw. PVM) über die Zeit, vgl. Gleichung 2.4. In Abschnitt III steigt sowohl EBAT als auch EA, da P’KST > 0. ELZ sinkt, da PBAT < P’KST. In Abschnitt IV ist P’KST = 0 und es gilt Gleichung 2.5. Gleichung 2.1

Figure DE102016202136A1_0002
Gleichung 2.2
Figure DE102016202136A1_0003
Gleichung 2.3
Figure DE102016202136A1_0004
Gleichung 2.4
Figure DE102016202136A1_0005
The calculation of ELZ is described below for the in 3 described driving conditions in sections I to IV by way of example. ELZ is the ratio of energy stored in the energy storage E BAT and energy expenditure E A , where E BAT is calculated from the integral of the battery power P BAT over the time t, cf. Equation 2.1 and 2.2. In Section I, pure combustion engine drive, and Section II, hybrid drive by internal combustion engine and electric motor, ELZ remains constant. Accordingly, E A is calculated according to Equation 2.3. In Section III, a power surplus is provided by the internal combustion engine, at the same time the electric motor is operated as a generator and charged the electrochemical energy storage. In this case, the energy E A used is the integral of the fuel power P ' KST (a proportion of the fossil power P KST or P VM applied to charge the electrochemical store) over time, cf. Equation 2.4. In Section III, both E BAT and E A increase because P ' KST > 0. ELZ decreases because P BAT <P' KST . In Section IV, P ' KST = 0 and Equation 2.5 holds. Equation 2.1
Figure DE102016202136A1_0002
Equation 2.2
Figure DE102016202136A1_0003
Equation 2.3
Figure DE102016202136A1_0004
Equation 2.4
Figure DE102016202136A1_0005

Gleichung 2.5Equation 2.5

  • EA = EA0 + 0E A = E A0 + 0

4 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Verfahrens zur Wirkungsgradverbesserung eines hybriden Antriebssystems für ein Fortbewegungsmittel oder Mehrmotorsysteme, wie sie sich beispielsweise in einem Schienenfahrzeug (insbesondere mit mehreren Triebfahrzeugen) wiederfinden könnten. In Schritt 100 wird ein bevorstehender Streckenverlauf ermittelt, In Schritt 200 wird aus dem Streckenverlauf eine Traktionsvorgabe berechnet. Diese kann beispielsweise ein Brems-/Beschleunigungsverhalten, eine auf einem jeweiligen Abschnitt des Streckenverlaufes gewählte Geschwindigkeitsvorgabe, etc. berücksichtigen. In Schritt 300 werden mögliche zu erwartende Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine zur Erfüllung der Traktionsvorgabe auf dem bevorstehenden Streckenverlauf ermittelt. Insbesondere werden auf Basis eines erforderlichen Antriebsmomentes sowie auf Basis zu erwartender Betriebszustände mechanischer und elektrischer Nebenverbraucher mögliche die Traktionsvorgabe erfüllende Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine ermittelt. In Schritt 400 wird ein energieaufwandsbezogener Ladezustand ermittelt, wie er für die Beurteilung eines Gesamtwirkungsgrades des erfindungsgemäßen Antriebssystems vorgeschlagen wird. Hierzu wird ein Verhältnis im elektrochemischen Energiespeicher gespeicherter Energie und ein zur Erzeugung der gespeicherten Energie erforderlicher Energieaufwand ermittelt. In Schritt 500 werden mögliche Gesamtwirkungsgrade des Antriebssystems auf Basis der in Schritt 300 ermittelten Betriebszustände der Antriebskomponenten und des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes ermittelt. Anhand dieser Gesamtwirkungsgrade werden in Schritt 600 jeweilige Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine anhand eines größten ermittelten Gesamtwirkungsgrades für die Fahrt auf dem bevorstehenden Streckenverlauf ausgewählt. Dies kann beispielsweise auch eine rechtzeitige Ladung des elektrochemischen Energiespeichers mittels fossiler Energien bedeuten, sofern ein Nachladen im Streckenverlauf ohnehin erforderlich würde. 4 FIG. 12 is a flowchart illustratively showing steps of a method of improving the efficiency of a hybrid propulsion system for a vehicle or multi-motor systems, such as might be found in a rail vehicle (particularly multiple traction vehicles). In step 100 an upcoming route is determined, in step 200 is calculated from the route a traction target. This can take into account, for example, a braking / acceleration behavior, a speed specification selected on a respective section of the route, etc. In step 300 Possible expected operating conditions of the electric motor and the internal combustion engine to meet the traction target on the upcoming route are determined. In particular, on the basis of a required drive torque as well as on the basis of expected operating conditions of mechanical and electrical secondary consumers, possible traction specifications of the electric motor and the internal combustion engine are determined. In step 400 an energy-related charge state is determined, as proposed for the assessment of an overall efficiency of the drive system according to the invention. For this purpose, a ratio in the stored energy stored in the electrochemical energy storage and a required for generating the stored energy energy expenditure. In step 500 Possible overall efficiency of the drive system based on the in step 300 determined operating states of the drive components and the energy consumption related state of charge determined. Based on these overall efficiencies are in step 600 respective operating states of the electric motor and the internal combustion engine selected on the basis of the largest determined overall efficiency for the ride on the upcoming route. This can also mean, for example, a timely charge of the electrochemical energy storage by means of fossil energies, provided reloading in the course of the route would be required anyway.

Nachfolgend wird ein Beispiel für eine erfindungsgemäß gefundene Beziehung zur Ermittlung eines Gesamtwirkungsgrades widergegeben, in welcher die erfindungsgemäß gefundene Größe "energieaufwandsbezogener Ladezustand" als ELZ enthalten ist. Gleichung 3

Figure DE102016202136A1_0006
The following is an example of a relationship found according to the invention for determining an overall efficiency, in which the invention found size "energy-related state of charge" is included as ELZ. Equation 3
Figure DE102016202136A1_0006

In Gleichung 3 steht ηGes für den Gesamtwirkungsgrad an einem bestimmten Betriebszustand, PVM für die Leistungsabgabe der verwendeten Verbrennungskraftmaschine, PEM für die Leistungsabgabe bzw. -aufnahme (in letzterem Fall vorzeichenbehaftet, generatorischer Betrieb mit negativem Vorzeichen) des Elektromotors, PNV für die Leistungsaufnahme der Nebenverbraucher (mechanisch sowie elektrisch), und PKST steht für die aufgewandte Kraftstoffleistung. Im Ladebetrieb, also bei elektrischer Leistungsaufnahme des Energiespeichers, ist die Batterieleistung PBAT > 0. Im Entladebetrieb ist PBAT < 0. Das bedeutet PBAT-Laden >= 0 (beim Entladen ist PBAT-Laden = 0). Entsprechend gilt PBAT-Entladen <= 0 (beim Laden ist PBAT-Entladen = 0).In Equation 3, η Ges stands for the overall efficiency at a particular operating condition, P VM for the power output of the internal combustion engine used, P EM for the power output (sign signed in the latter case, negative sign generator operation), P NV for the power consumption of the secondary consumers (mechanical and electrical), and P KST stands for the applied fuel performance. In the charging mode, ie with electrical power consumption of the energy storage device, the battery power P BAT > 0. In the unloading mode, P BAT <0. This means P BAT charging > = 0 (when unloading, P BAT charging = 0). Accordingly, P BAT discharge <= 0 applies (when loading, P BAT unloading = 0).

Die Leistungen PVM, PEM und PNV stellen die Leistungsanforderung aufgrund der Betriebssituation der erfindungsgemäßen Anordnung dar.The powers P VM , P EM and P NV represent the power requirement due to the operating situation of the arrangement according to the invention.

Ohne den energieaufwandsbezogenen Ladezustand ELZ in der vorgenannten Gleichung bzw. in der Beziehung ELZ = 1 (bzw. ELZ = konstant) wird wegen des höheren Wirkungsgrades der elektromechanischen Energiewandlung gemäß dem Stand der Technik der Elektromotor bevorzugt zur Erfüllung der Leistungsanforderung im Hybridbetrieb verwendet. Wird der zulässige Batterieladezustand unterschritten und es kann keine Energie rekuperiert werden, muss der Energiespeicher bei hohen Energiewandlungsverlusten stets durch den Verbrennungsmotor wieder aufgeladen werden. Dies wird gemäß dem Stand der Technik auch dann durchgeführt, wenn es aus energetischen Gesichtspunkten (über einen längeren Zeitraum betrachtet) nicht sinnvoll ist. Durch die Berücksichtigung des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes ELZ gemäß der obigen Gleichung wird auch der Kraftstoffverbrauch beim Aufladen des Energiespeichers berücksichtigt. Wird ELZ niedrig, steigt der Energieaufwand entsprechend der obigen Gleichung zur Bereitstellung elektrischer Leistung an.Without the energy-related charge state ELZ in the aforementioned equation or in the relationship ELZ = 1 (or ELZ = constant), the electric motor is preferably used to meet the power requirement in hybrid operation because of the higher efficiency of the electromechanical energy conversion according to the prior art. If the permissible battery state of charge is undershot and no energy can be recuperated, the energy storage device always has to be recharged by the combustion engine in the event of high energy conversion losses. This is carried out according to the prior art even if it is not sensible from an energetic point of view (considered over a longer period of time). By taking into account the energy expenditure related state of charge ELZ according to the above equation, the fuel consumption when charging the energy storage is taken into account. When ELZ becomes low, the energy consumption increases according to the above equation for providing electric power.

5 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wirkungsgradverbesserung eines hybriden Antriebssystems für ein Fortbewegungsmittel. In Schritt 1000 wird eine Information während eines Ladens eines Energiespeichers aufgezeichnet, mittels welcher eine Zuordnung zwischen einer im Energiespeicher gespeicherten Energiemenge und einer zur Speicherung der Energiemenge aufgewandten Energiemenge erfolgen kann. Die Aufzeichnung kann zeit- und/oder wertkontinuierlich oder zeit- und/oder wertdiskret erfolgen und beispielsweise in einer Log-Datei hinterlegt werden, welche informationstechnisch mit einer Auswerteeinheit verbunden ist. In Schritt 2000 wird eine Energiemenge ermittelt, welche aufgewandt wurde, um den Energiespeicher zu laden. Hierzu kann der zuvor genannte Datenspeicher bzw. die Log-Datei von einem elektronischen Steuergerät / einer Auswerteeinheit ausgelesen werden. In Abhängigkeit der aufgewandten Energiemenge wird in Schritt 3000 entschieden, ob der Motor oder die Verbrennungskraftmaschine oder sowohl der Motor als auch die Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb des Fortbewegungsmittels betrieben werden. Dies ermöglicht eine energieaufwandsbewusste Antriebsweise und ermöglicht Effizienzsteigerungen bei der Verwendung eines hybriden Antriebssystems. 5 shows steps of an embodiment of a method according to the invention for improving the efficiency of a hybrid propulsion system for a means of transportation. In step 1000 An information is recorded during charging of an energy store, by means of which an association can be made between an amount of energy stored in the energy store and an amount of energy spent for storing the amount of energy. The recording can be time-continuous and / or continuous-value or discrete-time and / or value-discreet and, for example, stored in a log file, which is connected in terms of information technology to an evaluation unit. In step 2000 an amount of energy is determined which has been expended to charge the energy storage. For this purpose, the aforementioned data memory or the log file can be read out by an electronic control unit / an evaluation unit. Depending on the amount of energy used in step 3000 It is decided whether the engine or the internal combustion engine or both the engine and the internal combustion engine are operated to drive the vehicle. This enables an energy-consuming drive mode and allows efficiency increases when using a hybrid drive system.

Claims (11)

Verfahren zur Wirkungsgradverbesserung eines hybriden Antriebsystems (1) für ein Fortbewegungsmittel (10) umfassend: – einen Motor (2), – eine Verbrennungskraftmaschine (3), – einen Energiespeicher (11) zur Speisung des Motors (2), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Ermitteln (2000) einer Energiemenge, welche aufgewandt wurde, um den Energiespeicher (11) zu laden und in Abhängigkeit der aufgewandten Energiemenge – Entscheiden (3000), ob der Motor (2) oder die Verbrennungskraftmaschine (3) oder sowohl der Motor (2) und die Verbrennungskraftmaschine (3) betrieben werden.Method for improving the efficiency of a hybrid drive system ( 1 ) for a means of transportation ( 10 ) comprising: - an engine ( 2 ), - an internal combustion engine ( 3 ), - an energy store ( 11 ) for feeding the engine ( 2 ), the method comprising the steps of: - determining ( 2000 ) an amount of energy that has been expended to the energy storage ( 11 ) and depending on the amount of energy used - decide ( 3000 ), whether the engine ( 2 ) or the internal combustion engine ( 3 ) or both the engine ( 2 ) and the internal combustion engine ( 3 ) operate. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ermittelt wird, dass die aufgewandte Energiemenge zumindest anteilig mittels der Verbrennungskraftmaschine (3) erzeugt worden ist.The method of claim 1, wherein it is determined that the amount of energy expended at least partially by means of the internal combustion engine ( 3 ) has been generated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend – Aufzeichnen (1000) einer Information während eines Ladens des Energiespeichers (11), mittels welcher eine Zuordnung zwischen einer im Energiespeicher (11) gespeicherten Energiemenge und einer zu ihrer Speicherung aufgewandten Energiemenge erfolgen kann. Method according to claim 1 or 2, further comprising - recording ( 1000 ) information during charging of the energy store ( 11 ), by means of which an association between a in the energy storage ( 11 ) stored energy and an amount of energy stored to store them can be done. Verfahren zur Wirkungsgradverbesserung eines hybriden Antriebsystems (1) für ein Fortbewegungsmittel (10) umfassend: – einen Elektromotor (2), – eine Verbrennungskraftmaschine (3), – einen elektrochemischen Energiespeicher (11) zur Speisung des Elektromotors (2), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Ermitteln (200) einer Traktionsvorgabe, – Ermitteln (300) möglicher zu erwartender Betriebszustände des Motors (2) und der Verbrennungskraftmaschine (3) zur Erfüllung der Traktionsvorgabe, – Ermitteln (400) eines Verhältnisses von im Energiespeicher (11) gespeicherter Energiemenge zu Energieaufwand zur Erzeugung der gespeicherten Energiemenge, nachfolgend „energieaufwandsbezogener Ladezustand (ELZ)“ genannt, des Energiespeichers (11) bei der Energieversorgung des Motors (2), – Ermitteln (500) möglicher zu erwartender Gesamtwirkungsgrade des Antriebssystems (1) auf Basis der Betriebszustände und des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes (ELZ), und anhand der Gesamtwirkungsgrade – Auswählen (600) jeweiliger Betriebszustände des Motors (2) und der Verbrennungskraftmaschine (3) anhand eines größten ermittelten Gesamtwirkungsgrades.Method for improving the efficiency of a hybrid drive system ( 1 ) for a means of transportation ( 10 ) comprising: - an electric motor ( 2 ), - an internal combustion engine ( 3 ), - an electrochemical energy store ( 11 ) for supplying the electric motor ( 2 ), the method comprising the steps of: - determining ( 200 ) of a traction specification, - determining ( 300 ) possible expected operating conditions of the engine ( 2 ) and the internal combustion engine ( 3 ) to fulfill the traction requirement, - determine ( 400 ) of a ratio of in the energy store ( 11 ) stored energy amount of energy required to generate the stored amount of energy, hereinafter called "energy expenditure related state of charge (ELZ)", the energy storage ( 11 ) in the power supply of the engine ( 2 ) - Determine ( 500 ) possible expected overall efficiency of the drive system ( 1 ) on the basis of the operating states and the energy-related state of charge (ELZ), and on the basis of the overall efficiency - Select ( 600 ) respective operating states of the engine ( 2 ) and the internal combustion engine ( 3 ) on the basis of a maximum determined overall efficiency. Verfahren nach Anspruch 4 weiter umfassend – Ermitteln (100) – eines bevorstehenden Streckenverlaufes, und – einer Traktionsvorgabe für den bevorstehenden Streckenverlauf.Method according to claim 4 further comprising - determining ( 100 ) - an upcoming route, and - a traction target for the upcoming route. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Ermitteln des bevorstehenden Streckenverlaufes – ein Auslesen eines Datenspeichers (13) des Fortbewegungsmittels (10) und/oder – ein satellitengestütztes Ermitteln einer aktuellen Position des Fortbewegungsmittels (10) umfasst.The method of claim 5, wherein determining the upcoming route - reading a data store ( 13 ) of the means of locomotion ( 10 ) and / or - a satellite-based determination of a current position of the means of transportation ( 10 ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 6, wobei das Ermitteln der Traktionsvorgabe anhand – eines Abgleiches einer aktuellen Position mit einer Sollposition des Fortbewegungsmittels (10) und/oder – einer vordefinierten Sollgeschwindigkeit des Fortbewegungsmittels (10) erfolgt.Method according to one of the preceding claims 4 to 6, wherein the determination of the traction specification is based on - a comparison of a current position with a desired position of the means of transportation ( 10 ) and / or - a predefined desired speed of the means of locomotion ( 10 ) he follows. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 7, wobei das Ermitteln von Gesamtwirkungsgraden des Antriebssystems eine Auswertung gespeicherter Wirkungsgradkennfelder für den Motor (2) und die Verbrennungskraftmaschine (3) umfasst.Method according to one of the preceding claims 4 to 7, wherein the determination of overall efficiency of the drive system, an evaluation of stored engine efficiency maps ( 2 ) and the internal combustion engine ( 3 ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 8, wobei das Ermitteln des zu erwartenden energieaufwandsbezogenen Ladezustandes des Energiespeichers (11) anhand eines nutzbaren Anteils im Energiespeicher (11) gespeicherter Energie, welcher insbesondere durch ein informationstechnisch definiertes SOC-Fenster vordefiniert ist, erfolgt. Method according to one of the preceding claims 4 to 8, wherein determining the expected energy-related charge state of the energy store ( 11 ) based on a usable share in the energy storage ( 11 ) stored energy, which is predefined in particular by an information technology defined SOC window, takes place. Anordnung zur Wirkungsgradverbesserung eines hybriden Antriebssystems (1) umfassend – einen Motor (2), insbesondere einen Elektromotor – eine Verbrennungskraftmaschine (3), – einen Energiespeicher (11) zur Speisung des Motors (2) und – eine Auswerteeinheit (12), wobei die Auswerteeinheit (12) eingerichtet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.Arrangement for improving the efficiency of a hybrid drive system ( 1 ) comprising - a motor ( 2 ), in particular an electric motor - an internal combustion engine ( 3 ), - an energy store ( 11 ) for feeding the engine ( 2 ) and - an evaluation unit ( 12 ), whereby the evaluation unit ( 12 ) is adapted to carry out the steps of a method according to one of the preceding claims. Fortbewegungsmittel umfassend eine Anordnung nach Anspruch 10. Means comprising an arrangement according to claim 10.
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